(57)【要約】  １つはＵＡＶペイロード及びコンピュータ又はコントローラ間のデータグラムをサポートするために必要に応じて使用するための周波数帯域と、ＵＡＶとホストコントローラ又は制御ネットワーク間の指令及び制御及びナビゲーションデータグラム専用の第２のＲＦ通信帯域間のデータグラムをサポートする２つの異なる周波数帯域を含むＵＡＶとＲＦ通信するためのシステム。本システムの実施形態は、第２のＲＦ通信サブシステムに関して、空中に投射されたセルシステムを作成し、その周波数範囲をサブチャネルに分割することによって幾つかのＵＡＶとの通信を可能にするのに適した大きな領域をカバーするように実施され、周波数範囲を分割することができる副帯域を再使用スキームで使用することができる。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＵＡＶペイロードとコンピュータ又はコントローラ間のデータグラムをサポートするための任意的使用のための１つの周波数帯域と、ＵＡＶとホストコントローラ又は制御ネットワーク間の指令及び制御及びナビゲーションデータグラムの送受信専用の第２のＲＦ通信帯域の２つの異なる周波数帯域を含む、ＵＡＶとのＲＦ通信のためのシステム。
【請求項２】
前記第２のＲＦ通信帯域は、４２００ＭＨｚ〜４４００ＭＨｚの周波数範囲内にある、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第２のＲＦ通信帯域は、複数の副帯域に分割される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記第２のＲＦ通信帯域は３つの副帯域群に分割され、各副帯域群は４２００〜４４００ＭＨｚの範囲内の周波数範囲を有する帯域幅セグメントからなり、副帯域群の各副帯域範囲は、別の群の副帯域範囲とは異なる、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記副帯域群は再使用構成で配置される、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記第２のＲＦ通信帯域は、５０００〜５２５０ＭＨｚの周波数範囲にある、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記第２のＲＦ通信帯域は、複数の副帯域に分割される、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記第２のＲＦ通信帯域は３つの副帯域群に分割され、各副帯域群は５０００〜５２５０ＭＨｚの範囲内の周波数範囲を有する帯域幅セグメントからなり、副帯域群の各副帯域範囲は、別の群の副帯域範囲とは異なる、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記副帯域群は、再使用構成で配置される、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第２のＲＦ通信帯域は、地上セルシステムと同様の空間周波数再使用方式で構成され、前記ＲＦ通信帯域は、地面沿いに投射されるのではなく空中に投射される放射を含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第２のＲＦ通信帯域は、地上セルシステムと同様の空間周波数再使用方式で構成され、前記ＲＦ通信帯域は、地面沿いに投射されるのではなく空中に投射される放射を含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ＵＡＶとホストコントローラ又は制御ネットワーク間の指令及び制御及びナビゲーションデータグラムの送受信は、データグラム構造における順方向エラー訂正を用いて行われる、請求項２に記載のシステム。
【請求項１３】
前記ＵＡＶとホストコントローラ又は制御ネットワーク間の指令及び制御及びナビゲーションデータグラムの送受信は、データグラム構造における順方向エラー訂正を使用して実行される、請求項６に記載のシステム。
【請求項１４】
前記順方向エラー訂正は、データグラム構造における畳み込みエラー訂正符号を含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記順方向エラー訂正は、データグラム構造における畳み込みエラー訂正符号を含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記ＵＡＶとホストコントローラ又は制御ネットワーク間の指令及び制御及びナビゲーションデータグラムの送受信は、データグラム構造におけるターボ符号を使用して実行される、請求項２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記ＵＡＶとホストコントローラ又は制御ネットワーク間の指令及び制御及びナビゲーションデータグラムの送受信は、データグラム構造におけるターボ符号を使用して実行される、請求項６に記載のシステム。
【請求項１８】
空間周波数再利用方式の一部として、右円偏向及び左円偏向が利用される、請求項２に記載のシステム。
【請求項１９】
空間周波数再利用方式の一部として、右円偏向及び左円偏向が使用される、請求項６に記載のシステム。
【請求項２０】
前記システムは、ある領域の航空交通制御データグラムを処理するための少なくとも１つの中央コンピュータと複数の無線トランシーバを含み、前記システムは、無線装置データグラムトランシーバポイントと前記領域のための前記航空交通制御データグラムを処理する前記中央コンピュータ間の別個の冗長バックホールを備えて構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項２１】
前記システムは、ある領域の航空交通制御データグラムを処理するための少なくとも１つの中央コンピュータと複数の無線トランシーバを含み、前記システムは、無線装置データグラムトランシーバポイントと前記領域の前記航空交通制御データグラムを処理する前記中央コンピュータ間の別個の冗長バックホールを備えて構成される、請求項６に記載のシステム。
【請求項２２】
前記システムは、トランシーバに関連するアンテナを備え、第２のＲＦ通信帯域は、放射円錐を形成するように前記アンテナを経て伝搬される放射を含み、前記アンテナによって投射される前記放射円錐の角度が電子的に調整可能である、請求項２に記載のシステム。
【請求項２３】
前記システムは、トランシーバに関連するアンテナを備え、第２のＲＦ通信帯域は、放射円錐を形成するように前記アンテナを経て伝搬される放射を含み、前記アンテナによって投射される前記放射円錐の角度を電子的に調整可能である、請求項６に記載のシステム。
【請求項２４】
前記システムは、トランシーバに関連するアンテナを備え、第２のＲＦ通信帯域は、放射円錐を形成するように前記アンテナを経て伝搬される放射を含み、前記アンテナによって投射される前記放射円錐の角度を機械的に調整可能である、請求項２に記載のシステム。
【請求項２５】
前記システムは、トランシーバに関連するアンテナを備え、第２のＲＦ通信帯域は、放射円錐を形成するように前記アンテナを経て伝搬される放射を含み、前記アンテナによって投射される前記放射円錐の角度を機械的に調整可能である、請求項６に記載のシステム。
【請求項２６】
前記ＵＡＶとホストコントローラ又は制御ネットワーク間の指令及び制御及びナビゲーションデータグラムの送受信専用の前記第２のＲＦ通信帯域は、既存の携帯電話タワーに実装された機器を経て伝搬される、請求項１に記載のシステム。
【請求項２７】
前記ＵＡＶとホストコントローラ又は制御ネットワーク間の指令及び制御及びナビゲーションデータグラムの送受信専用の前記第２のＲＦ通信帯域は、前記第２のＲＦ通信帯域を経た通信の提供に専用の携帯電話タワーに実装された装置を経て伝播される、請求項１に記載のシステム。
【請求項２８】
前記ＵＡＶとホストコントローラ又は制御ネットワーク間の指令及び制御及びナビゲーションデータグラムの送受信専用の前記第２のＲＦ通信帯域は、ＲＦサブシステムを経た通信の提供に専用の携帯電話タワーに実装された装置を介して伝搬される、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は無線通信の分野に関し、より詳細には、無人で遠隔操縦航空機に関連するセルラ通信ネットワークの動作のためのシステム、方法及びコンポーネントに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日使用されている一般公衆通信用の無線システムは、図１に示されるように、「セル」ベースであることが多い。そのようなシステムでは、より大きな地理的領域（１０１）内のモバイル電話又はモバイル機器（１００）は、より大きな領域（１０２）のサブ領域の機器に双方向無線通信を提供する固定位置ローカル無線トランシーバの配分によってサービスが提供される。モバイル電話又はモバイルがある場所から新しい場所（１０３）に移動する際、これはセルラ無線システム（１０４）内の異なるローカル固定無線トランシーバによって、又は同一のローカル固定無線トランシーバの範囲内にある別のセクタ（１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ）によってサービスされてもよい。無人航空機（ＵＡＶ）及び遠隔操縦機（ＲＰＶ）はまた、固定無線トランシーバの範囲内及び範囲外に移動できる。
【０００３】
無線システム内の固定無線トランシーバのアンテナ放射パターンは、一般に無指向性又は空向き方向ではなく、地面に沿って指向性を有するように方向付けられる。放射パターンがそのように限定される幾つかの理由には、第１に、そのようなシステムにおける無線機器のユーザは、通常、無線携帯電話及びスマートフォンの通信のように、ほぼ常に物理的に地球の表面沿いに限られ、さらに民間航空機では一般に法律によって禁止されていること、また第２に、セルラベースの通信システムは、隣接セル又は近隣のセルに入る可能性のある放射電力を制限することによって、周波数の使用を繰り返すセル間の干渉を回避することが含まれ、これは固定無線トランシーバに関連するアンテナから発される放射パターンを制御することによって少なくとも部分的に達成される。セルラベースの無線通信システムにおける通常の固定無線トランシーバの放射パターンの簡略図が図２に示されている。水平又は「地面に平行」パターンは（２００）に示され、一方、垂直パターンは（２１０）に示されている。
【０００４】
さらに図３の絵図を参照すると、垂直パターンをさらに可視化することができる。固定セルラ無線トランシーバのアンテナシステム（３００）は、通常は地面（３０３）からある程度の距離を置いてマストに取り付けられており、固定アンテナ（３００）を介したモバイル機器（図示せず）とセルラベースの通信システム間でのデータグラム又は音声トラヒックを送受信するために使用される特定の周波数のいわゆるビーム（３００）でそのエリアをカバーすることによって、アンテナ（３０３）から放射状のある範囲内でモバイル機器との通信を可能にするように設計されている。ビームは、通常は有用な角度５〜１０°（３０２）を成すように設計され、さらに追加の５〜１０度（３０５）だけ地面に対して傾斜してもよい。地面方向を指すいわゆる垂直のサイドローブは実際に、アンテナ（３０６ａ）に近いモバイル機器にカバレッジ（受信可能範囲／coverage）を供給するのを助け、一方、空方向（３０６ｂ）を指す垂直サイドローブは通常は役に立たないか、重要ではなく、アンテナシステムの副産物として無視される。
【０００５】
図４（４００ａ）を参照すると、図３に示された固定無線送受信機アンテナの簡略図が示され、各アンテナ（４０１、４０２）は地面（４１０）の上方に取り付けられ、実質的に地面（４０１ａ、４０１ｂ、４０２ａ、４０２ｂ）に沿った垂直放射パターンを有し、固定無線トランシーバは、カバレッジの連続性を保証するために、通常のセルラ型通信ネットワークにあるような幾つかの計画に従って離間されている。当業者にはよく知られているように、固定無線トランシーバの実際の離間は、カバーされる領域の表面にわたって２次元で行われ、一方の固定無線トランシーバ（４０１ｂ）から他方の固定無線トランシーバ（４０２ａ）に放射される周波数が異なり、隣接位置間の干渉を回避するように周波数再利用パターンが確立される。すなわち、ビーム（４０１ｂ）に関連する通信のための周波数は、周波数群ｆＡからのものであってもよいのに対して、ビーム（４０２ａ）に関連する通信のための周波数は周波数群ｆBなどからのものであってもよい。セルラベースの通信システムの周波数再使用パターンはよく研究されており、図１（１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ）に示され、図２（２０１、２０２、２０３）にも示されているように、図４（４０１ａ、４０１ｂ、４０２ａ、４０２ｂ）に示されているような単純な周波数ダイバーシティ（多様化）に加えて、アンテナ（４０１、４０２）の水平方向の方向性を含むことが多い。
【０００６】
図４に示された簡略化された状況は、ほとんどの野外条件下でモバイル機器とセルラシステム間で、次いでセルラシステムに接続された（公衆交換電話網、他の移動装置、又はセルラネットワーク上のモバイル機器とデータグラムを交換するコンピュータシステムなど）の後続のエンドポイント間で信頼できる通信を行うことができる、地面付近に基本的に連続的なカバレッジ又は層（４２１）がある広大な領域、さらには全ての国があるような、現在の世界の人口密集地域が二次元で再現されている。図５は、米国のいわゆるカバレッジマップであり、青のエリアは、地上付近に位置するモバイル機器間で音声又はデータグラムトラヒィックのいずれかを搬送することができるセルラ型ネットワークの連続カバレッジがある領域であり、白のエリアはカバレッジのない領域である。簡単な点検で明らかなように、米国の過半数がカバーされている。
【０００７】
現在、商業活動のための無人航空機（以下、ＵＡＶ）及び遠隔操縦機（以下、ＲＰＶ）の展開に大きな関心が寄せられている。関心には、地元の流通倉庫から近隣までの荷物の配送や、漏洩や通行権の侵入をチェックするための１０００マイル（約１６０９ｋｍ）の石油パイプラインのリモートセンシングなど、さまざまな機能が含まれる。
【０００８】
本明細書での議論の目的では、カテゴリー間に実質的なクロスオーバーが存在することの可能性があることの理解及び一般性を失うものではないが、ＵＡＶは地上からの高度（ＡＧＬ）２０００フィート（約６１０ｍ）で飛行する重量５０ポンド（約２２．７ｋｇ）未満の短距離及び低高度、及び／又は法的に管制された空域の航空機であると見なされ、飛行コースの残りの部分が自律的に誘導され得る飛行コースの一部又は全部にわたってＵＡＶを能動的に誘導する遠隔オペレータがいてもよく、いなくてもよく；ＲＰＶは、代表的な通常の飛行高度が２０００フィートＡＧＬを超え、かつ／又は法的に管制された空域内で、重量が５０ポンドを超える長距離及び高高度の長距離航空機とみなされ、有人航空機で通例であるような自動操縦の使用など、通常コースの飛行の自動化を可能にする航空機の人間による遠隔操縦及び／又は監視がなされる。
【０００９】
代表的なＵＡＶと代表的なＲＰＶが図６と図７にそれぞれ示されている。ＵＡＶとＲＰＶは当初は主として軍事的な理由から開発されたものであり、したがって、これらとの通信は、ＵＡＶのための軍事的な有視界での通信方法やＲＰＶの軍事衛星ネットワークを主に利用していた。現在の多くの軍事ＲＰＶの通信ネットワーク構成の例が図８に示されており、これは、ＵＡＶ／ＲＰＶが、先ずその上空の指定された軍用用途の専用衛星（８０１）と専ら通信し、次いで指令センター（８１０）に通信を中継することを示している。実際には、図９に示されるように、図７に示すＲＰＶの機首は主として、６５０〜２２、５００マイル（約１０４６ｋｍ〜約３６、２１０ｋｍ）上空でＲＰＶの上を周回する衛星と通信する高利得トラッキングアンテナの機能に専念している。このような距離でトランシーバ又はトランスポンダと通信することに伴う経路損失／喪失は、図９（９０１）に示されるように高利得アンテナを必要とする。
【００１０】
ＲＰＶ及びある程度までＵＡＶが商業活動に役立つためには、ほとんどの管轄区域で管制空域（controlled airspace）の使用を統制する法律及び規制を遵守しなければならない。一般に、このような遵守のためには、ＵＡＶ／ＲＰＶが航空管制官と通信することができ、また他の航空活動（航空交通／air traffic）を視認し、感知して、これを避ける必要がある。したがって、ＵＡＶ／ＲＰＶとそのオペレーションセンター間で送信される商業活動に必要な任意のリアルタイムのデータグラムに加えて、ＲＰＶは、そのオペレーションセンターとの恒常的な通信を維持して、ＲＰＶが有人航空機であるかのように行動し、指示されることができるように、ＲＰＶからの画像及びＲＰＶと航空活動制御センター間の通信を送信しなければならない。
【００１１】
恒常的な通信の必要性は、軌道周回する衛星への通信リンクに対する顕著な要求を課す。このような距離（６５０〜２２５００マイル）での通信の困難さに加えて、各々が限定された周波数を有する利用可能な衛星は限られており、ＲＰＶやＵＡＶによる商業活動に対応するには、衛星の数と利用可能な使用帯域幅は不十分である。さらに、小型のＲＰＶ及びＵＡＶは、ＲＰＶ又はＵＡＶが衛星と通信するために必要なアンテナシステムのためのスペース又はペイロード能力を有していない。加えて、衛星の冗長性がほとんど又は全くなく、衛星トランスポンダが故障し、かつ／又はその衛星を介した通信が駄目になった場合、ＲＰＶ／ＵＡＶとの全ての通信が失われ、その後ＲＰＶ／ＵＡＶが制御不能になることがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ＵＡＶが管制空域にあるとき、又はコントローラ又はオペレータからの見通し外にあるとき、ＲＦリンクを介してＵＡＶと通信することは困難な場合が多い。米国では、空域は４００フィート（約１２２ｍ）上空の空間である。
無人航空機が管制空域（すなわち、米国内で４００フィート超）及び／又はコントローラ又はオペレータからの見通し外にある場合、ＲＦリンクを介して無人航空機と継続的に通信するには課題が存在する。ＵＡＶとの通信を容易にするために地上ベースのＲＦセルラ型システムを大気中に投影するシステムが必要であるが、このシステムには、ＵＡＶの重要な指令及び制御のために十分な信頼性を提供し、しかも同時にリモートセンシング用途のための高帯域幅のサポートを提供することがさらに必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
無人航空機（ＵＡＶ）と通信するシステムが提供される。このシステムは、例えば、ペイロード操作、撮像、カメラ、サウンド、及び配送活動などのリモートセンシング（遠隔検知）用途を処理する（取り扱う）ための高帯域幅のサポートを提供する一方で、ＵＡＶの指令及び制御及びナビゲーション機能などの重要な操作に対する高い信頼性を提供する。このシステムは、好ましくは、複数の周波数帯域を含むように構成され、好ましい実施形態によれば、第１のタイプの通信のための第１の周波数帯域と、第２のタイプの通信のための第２の周波数帯域とを提供する。通信は、好ましくはＵＡＶと別のコンポーネント間のＲＦ通信であり、これは好ましくは、ＲＦ通信をサポートするネットワークを介して行われる。好ましい実施形態によれば、他のコンポーネントは、動作又は機能を制御するためにＵＡＶにデータグラムを提供する、コンピュータなどの指令及び制御機器である。命令及び制御装置はまた、ＵＡＶからの通信を受信し得る。このシステムの実施形態は、１つはＵＡＶペイロード（例えば、リモートセンシング動作）とコンピュータ又はコントローラ間のデータグラムをサポートするための任意的使用のための周波数帯域と、ＵＡＶとホストコントローラ又は制御ネットワーク間の指令及び制御及びナビゲーションデータグラムの送受に専用の第２のＲＦ通信帯域の、２つの別個の周波数帯域を含むＵＡＶとのＲＦ通信を提供する。
【００１４】
好ましい実施によれば、システムはＵＡＶとのＲＦ通信を送信し、かつ交換するように構成される。システムのある実施形態では、システムは、好ましくはＲＦ通信帯域である２つの異なる周波数帯域を有するように構成される。通信帯域の１つは、例えば、ＵＡＶペイロードとコンピュータ又はコントローラとの間などのデータグラムをサポートするための必要に応じた（任意的な）使用に利用され、一方、第２のＲＦ通信帯域が提供され、これはＵＡＶとホストコントローラ又は制御ネットワーク間の指令及び制御及びナビゲーションデータグラムの送受信専用である。実施形態は好ましくは、ＵＡＶと指令及び制御コンピュータ間の指令及び制御及びナビゲーションデータグラムを提供するように実施され、これは、好ましくは、指令及び制御及びナビゲーション操作に専用で別個の指定されたＲＦ周波数帯域内で行われる。
【００１５】
このシステムは、地上のセルシステムのような空間周波数再使用スキームを使用するように構成されてもよいが、地面に沿って投影されるのではなく空中に投影される。加えて、好ましい実施形態は、例えばＵＡＶ（又はＲＰＶ）と指令及び制御コンピュータ間の指令及び制御及びナビゲーションデータグラムを処理するように指定された特定のサブバンド（副帯域）領域（例えば、専用の又は第２のＲＦ通信帯域の副帯域領域）のための左又は右円偏波などの偏波（偏向／polarization）を実施するように構成されてもよい。信頼性は、例えば、畳み込みエラー訂正コードを含み得るデータグラム構成における前方エラー訂正、及び／又は、データグラム構造におけるターボ符号（ターボコード）などの機能を実装することによってさらに強化され得る。加えて、システムの幾つかの実施形態は、信頼性を高めるために、無線装置データグラムトランシーバポイントとある領域の航空交通制御データグラムを処理する中央コンピュータ間の別個の冗長バックホールを利用して実施され得る。例えば、（ネットワークプロトコルに応じて）固定位置トランシーバ、基地トランシーバ、基地局、ノード又はそれらの等価物などのネットワークの通信コンポーネント間で、又は通信コンポーネントどうしで別個の冗長バックホール動作が実施され得る。
【００１６】
指令及び制御送信がそれを通って処理される放射帯域の副帯域群は、再使用構成で配置されてもよく、アンテナによって投影される放射円錐の角度は、例えば電子的又は機械的に調整されてもよい。
【００１７】
このシステムは、既存のセルタワーと組み合わせて実施されてもよく、又は、ＵＡＶ／ＲＰＶ指令及び制御通信専用の別個に設けられたタワーを用いて実施されてもよい。
【００１８】
システム、方法及びコンポーネントは、多様なＲＰＶ及びＵＡＶとの信頼性の高い通信を管理し、かつ運用するために実施され得る。システムの実施形態は、ＲＰＶ／ＵＡＶの運航及びこれとの通信が安全上の理由から特に重要である人口密集エリア上で特に、冗長な通信可能範囲（カバレッジ／coverage）を提供するように構成される。本発明は、現在は地面付近での運用に限定されている、現在限定されている現時点のセルラデータ及び音声ネットワークの改良である。
【００１９】
幾つかの好ましい実施形態によれば、セルラ型通信システムが提供される。このシステムは、地面付近の機器と通信するための第１の地面付近の領域を提供するように構成される。例えば、１つ又は複数の第２の層などの追加の層が、第１の地面付近の領域とほぼ同一の面積範囲をカバーして設けられているが、これらは互いに分離されており、これらの層は、地面からも実質的に高くなっている。システムは、航空機がセルベースの通信ネットワークを使用した通信に依存できる領域としての役割を果たすこの第２の又は追加の上昇領域又は層を提供するように構成される。したがって、セルラベースのネットワークは、第１の地面付近の領域を通る地上通信と、第２の又は上昇した領域を通る空方向（空向き／skyward）通信とを処理する（取り扱う）。高度は、互いに分離されていることが好ましく、これは例えば受動リフレクタなどの障壁を使用して物理的な分離であり得る。追加として、又は代替として、地面付近の機器を使用して第２の領域内での通信が試行された場合、それらは第２の高度の空中領域通信の動作に影響を及ぼさないように、地面付近の機器、及びＲＰＶ及びＵＡＶなどの航空機の機器である通信トランシーバは、異なるプロトコルを使用して動作するように構成されてもよい。例えば、ＵＡＶ及びＲＰＶのトランシーバを地面に沿った携帯電話やスマートフォンなどから一意的に識別するために、空方向通信プロトコルを地上通信プロトコルと区別することができる。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態を実行するために、本システムは、既存のセルラネットワーク基地局の固定トランシーバアンテナマウントに実装されたアンテナシステムを配置することによって構成することができる。アンテナシステムは、好ましくは空方向のアンテナシステムであり、無線周波数エネルギを空方向に放射するように構成される。好ましい実施形態によれば、放射周波数は、円錐又は他の形状である中心角（対する角／subtended angle）で伝搬される。幾つかの実施形態によれば、アンテナシステムは、既存のセルラネットワーク装置と同様又は同一の第２のトランシーバ装置セットに接続され、地面に沿ってではなく、空中の航空機（例えば、ＵＡＶ及びＲＰＶ）との通信を達成する。
【００２１】
好ましい実施形態によれば、空方向指向アンテナによって伝播される空方向信号は偏波され、好ましくは、水平又は円偏波される。幾つかの好ましい実施形態によれば、放射パターンにより中心角が異なっている場合には、アンテナ上方の異なる高度の帯域に対して連続的な通信カバレッジを達成するために、異なる２セットの周波数信号が空方向に放射される。例えば、放射パターンの第１の角度は空方向に延び、第１のタイプの航空機がそれを使用して通信するように構成された周波数領域を表す。これは、通常、ＲＰＶと比較して低い高度で運航するＵＡＶ用であってよい。この例では、第２の周波数領域は、ＲＰＶ通信のための領域を提供し得る異なる中心角を有する第２の放射パターンによって提供されてもよい。異なる高度の帯域は、上空領域の第２の層を表すことができる。
【００２２】
幾つかの実施形態によれば、空方向指向アンテナによって伝搬される空方向信号は、好ましい偏波（極性／polarization）に従って偏波される。例えば、空方向アンテナからの上側放射伝搬は、例えば円錐のような形状などのパターンで放射を向かわせるように構成されてもよい。信号の分離は、通信の品質を向上させ、それによって異なる周波数又は周波数帯域の信号間の意図しない相互作用の可能性を排除又は低減するように、システム及び通信機器の実施形態と関連して実施される。実施形態は、多様な周波数（例えば、ＵＡＶの特定の周波数に対し、ＲＰＶのための他の周波数）を使用して信号を分離することができる。周波数ダイバーシティに加えて、信号はまた、偏波パターンによって分離されてもよい。好ましい実施形態によれば、偏波は、右円偏波及び左円偏波を含む。例えば、１つの空方向円錐（例えば、下位層）は、伝搬信号の右円偏波を有し、別の空方向円錐（例えば、高度がより高い層）は、伝播信号の左円偏波を有し得る。幾つかの実施形態によれば、システム、方法及び機器は、ＵＡＶ及びＲＰＶの送信及び受信ならびに基地局向けの偏波パターンをさらに提供することができる。例えば、対応する偏波パターンは、トランシーバなどの通信コンポーネント間の送信及び受信のために実施されてもよい。
【００２３】
空方向の放射エネルギは、好ましくはパターンとして放出され、空方向指向の放射パターンは、幾つかの好ましい実施形態によれば、電子的に作成され、制御される。幾つかの好ましい実施形態によれば、空方向指向放射パターンは、特定のＵＡＶ又はＲＰＶを追尾するように電子的に誘導されてもよい。
【００２４】
所与の空方向パターンのために放射されるエネルギは、航空機の連続通信領域の帯域間の分離の提供を補助するために制限されてもよい。
【００２５】
幾つかの追加の実施形態によれば、ＵＡＶ及びＲＰＶタイプの航空機（及びそれらの通信）を地上ベースのセルラ装置と区別するために、さらに別の方法及び構成が実施されてもよい。ＵＡＶ及びＲＰＶトランシーバは、ＲＰＶ及びＵＡＶの通信と地面に沿った通信間のセルラ通信ネットワークによる迅速な差別化を可能にする、一意的な、又は区別されたＩＭＥＩ（国際移動体装置識別番号）の等級又は識別番号を有するように構成され得る。システムは、その上で、データグラム又は音声トラヒックの特別なルーティングなど、何らかの動作を行うように構成され得る。
【００２６】
システムは、例えば、プロセッサ、マイクロプロセッサ、及び回路、及び通信装置及びそれに搭載され、又は関連するトランシーバからの通信を処理する命令を有するソフトウェアなどの処理コンポーネントを組み込み、かつ含むことができる。ソフトウェアは、フラッシュメモリ、ハードディスク記憶装置、又は他の適宜な媒体などの適宜な記憶コンポーネントに保存されてもよく、第１の、又はほぼ地面付近のゾーンの高度及び航空機との空中通信が行われる第２の高度にわたって通信を実施するステップを実行するための命令を含む。
【００２７】
一実施形態に関連して本明細書で説明される特徴は、他の実施形態と組み合わせて実施されてもよく、特徴を組み合わせて、実施形態が１つ、２つ、又は幾つかの特徴の組み合わせを有してもよい。
【００２８】
本発明のこれらの利点及び他の利点は、本明細書に記載され、例示された実施形態に関連して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】今日使用されている一般公衆通信用の「セル」ベースの無線システムを表す概略図である。
【００３０】
【図２】セルラベースの無線通信システムにおける代表的な固定無線トランシーバの放射パターンの図である。
【００３１】
【図３】垂直放射パターンの可視化された表現を示す、固定トランシーバアンテナシステムにおける基地局及びアンテナを示す絵画である。
【００３２】
【図４】互いに離間して示され、それぞれの放射パターンを例示する、図３の複数の固定無線送受信アンテナを示す図である。
【００３３】
【図５】地上付近に位置するモバイル機器間で音声又はデータグラムのトラフィックを搬送することができるセルラ型ネットワークのカバレッジの領域を示す米国のカバレッジマップの図である。
【００３４】
【図６】無人航空機（ＵＡＶ）の一例を示す図である。
【００３５】
【図７】遠隔操縦機（ＲＰＶ）の一例を示す図である。
【００３６】
【図８】代表的なＵＡＶ／ＲＰＶの軍事用通信ネットワーク示す概略図である。
【００３７】
【図９】遠隔操縦機（ＲＰＶ）衛星通信アンテナの一例を示す図である。
【００３８】
【図１０】ＵＡＶ及びＲＰＶと通信するためのシステムを示す好ましい実施形態の図である。
【００３９】
【図１１】ＵＡＶとの通信のために別個の周波数帯を使用するためのシステムを実施する例示的な実施形態を示し、図１２のＡ―Ａ’線に沿った領域を含む空方向放射の円錐の配列を示す図である。
【００４０】
【図１２】第２のサブシステムの副帯域放射の代表的な配置であり、副帯域の物理的分布及び指令及び制御帯域の使用を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１〜１２を参照すると、無人航空機（ＵＡＶ）（又はＲＰＶ）間で通信を交換するように設計された空方向通信を提供するシステム、及びＵＡＶ（又はＲＰＶ）から遠隔位置にある指令及び制御コンピュータを含む通信システムが示されている。
【００４２】
本発明の幾つかの実施形態は、現在世界の人口の大部分にサービスを提供する既設のセルラネットワークの基礎の一部を、新たに出現する空中での商用のＵＡＶ及びＲＰＶの活動の通信及びデータグラム交換のニーズにサービスするためのシステムのバックボーンとして使用することができる。他の実施形態は、別個の通信コンポーネントを提供することができる。
【００４３】
図１０を参照すると、新しいアンテナが１つ又は複数の既存のセルラーネットワークタワー（１００１ｅ、１００２ｃ）に取り付けられているが、地面沿いにではなく空方向を向いており、水平又は右又は左円偏波された放射パターンいずれかを有し、概して（名目上／nominally）ある中心角（対する角／subtending angle）（１０５０）を形成する円錐状に上方に放射するが、他の形状も可能である。上向き放射パターンの形状は、電子的に誘導又は制御されてもよい。また、放射パターンは受動シールド又はスクリーン（１０６０）によって地上放射パターンからさらに分離されることで、空中トランシーバ上の地面指向放射パターンからのサイドローブの影響をさらに最小限に抑えることができ、その逆も同様である。
【００４４】
固定位置トランシーバとＵＡＶ又はＲＰＶ（１００１ｃ、１００２ｃ）間の通信を成功させるのに十分なリンクマージン（link margin）が利用できる放射領域は、各トランシーバ（ＵＡＶ／ＲＰＶ上のトランシーバならびに固定位置トランシーバに関連するトランシーバの両方）の電力と併せて放射パターンの形状の両方を、商業的に入手可能なソフトウェアを含めて、当業者に周知の任意の数の方法で設計することによって設計される。他の固定位置トランシーバとの距離をさらに考慮する場合、航空機にブラックアウト領域（１０８０）がなく、信頼できる通信を保証するのに十分なリンクマージンを有していることの両方が保証され得る上昇層（１０２１）を作成する重複領域を容易に設計することができる。
【００４５】
加えて、一実施形態では、幾つかのより大きな領域にわたって連続したカバレッジの別の層（１０３１）が異なる高度で生成されるように、各々のトランシーバ対ごとの異なる電力、偏波、及び／又は、中心角（１０５１）で第２（又は第３又は第４など）の空方向放射パターンの円錐セットが構築され得る。航空機は、例えばポイント（１０７０）で、連続した通信層の下ではあるが、それでも特定の固定アンテナから信号を取得できる空中領域に入ることができるが、同じ高度で航行を継続しポイント（１０７１）に到達した場合、それは実際にはより高い高度の信号円錐（１００１ｄ、１００２ｄ）の外側となるが、より低高度の信号円錐（１００１ｃ、１００２ｃ）を経て信頼できる通信リンクを得るための十分なリンクマージンを越えており、したがって通信が失われるであろう。幾つかの好ましい実施形態によれば、空方向円錐のセットは、空方向円錐の他のセットの偏波と異なる偏波を有することができる。偏波はまた、通信するコンポーネント（例えば、ＵＡＶ及びＲＰＶ）の受信及び送信トランシーバの偏波に対応するように構成されてもよい。例えば、１セットの円錐が右円偏向で構成され、もう１セットの空方向円錐が左円偏向で構成されてもよい。これらの構成は、（例えば、円錐セット間の）周波数ダイバーシティによって提供される任意の分離に加えて、増大した信号分離を提供し得る。例えば、幾つかの好ましい実施形態によれば、第１の空方向信号セットは第１の偏向パターンで偏向され、第２の空方向信号セットは第２の偏向パターンで偏向されてもよい。いくつかの好ましい実施形態では、偏波パターンは、円偏波パターンであり得る。例示的実施形態によれば、１セットの空方向信号は右円偏波パターンで偏波され、空方向信号の第２のセットなどの別のセットは、左円偏波パターンで偏波されてもよい。空方向信号の各セットは、例えば円錐などの形状を形成するように構成されてもよい。例示的な実施形態によれば、システムは、第１の空方向信号セットが第１の空方向円錐を形成し、及び第２の空方向信号セットが第２の空方向円錐を形成する場合に通信するように構成されてもよい。第１及び第２の信号セットは、第１の信号セットを他の信号セットからさらに分離するために、好ましくは異なる偏向を有する。例えば、第１の空方向円錐は、右円偏向パターンで偏向されてもよく、第２の空方向円錐は、左円偏向パターンで偏向されてもよい。空方向指向アンテナは、各信号セットが異なる周波数を有する場合に、異なる周波数の信号セットを放射するために使用され得る。空方向放射パターンは、好ましくは電子的に生成される。好ましい実施形態によれば、無人航空機（ＵＡＶ）又は遠隔操縦機（ＲＰＶ）は、ネットワークからの通信の偏波信号パターンと同様の、その通信周波数を有する空方向指向アンテナから放射される偏波信号パターンを通して通信するトランシーバを有して構成されてもよい。例えば、空を指向する放射パターンは、特定の無人航空機（ＵＡＶ）又は遠隔操縦機（ＲＰＶ）を追尾するように電子的に誘導されてもよい。加えて、例示的な実施形態によれば、１つの空方向信号円錐が上位層で、別の空方向円錐が下位層であってもよい。各層は、好ましくは異なる偏向パターンを有する。例えば、第１の又は上方の空方向層は、左円偏向放射パターンを有してもよく、第２の又はより低い空方向層は、右円偏向放射パターンを有してもよい。各層の放射エネルギは、各層又は円錐ごとに異なる周波数を有するように構成される。図１０にＵＡＶについて記載されているように、この例示的な実施形態では、ＲＰＶ通信は、第１の層又は上部層（例えば、第１の空方向円錐）内で行われ、ＵＡＶ通信は、第２の層又は下部層（例えば、第２の空方向円錐）内で行われる。例えば、３００１、３００２、３００３、３００４（図１１）などの固定位置トランシーバは、アンテナ５００１、５００２、５００３、５００４などの１つ又は複数の関連するアンテナを介してＲＦ放射（例えば、放射パターン）を送出する。この例におけるＵＡＶは、送信及び受信用に構成されたトランシーバを有し、より詳細には、ＵＡＶトランシーバは、右円偏波パターンで信号を送信及び受信するように構成される。ＲＰＶは、この例によれば、送信及び受信用に構成されたトランシーバを有し、より詳細には、ＲＰＶトランシーバは、左円偏波パターンで信号を送信及び受信するように構成される。セルラネットワーク基地局は、いくつかの好ましい実施形態では右円偏向パターン又は左円偏向パターンであり得る（ＵＡＶ又はＲＰＶのトランシーバなどの）通信トランシーバのパターンに一致する偏波パターン（及び周波数）で信号を送信及び受信するように構成されたトランシーバを有することが好ましい。
【００４６】
固定位置トランシーバ（１００１、１００２）が空方向指向アンテナシステムに供給する電力及びビーム角度（１０５０、１０５１）を電子的に制御することによって、当業者に周知の多数の方法のいずれかで、連続通信層の高度及び厚さを調整することができる。この調節能力により、連続通信層は地上レベル以上の一定の高度又は平均海面上の一定の高度のいずれかに従うことができる。航空機の高度は、気圧による高度の測定によって制御されることが多く、ＵＡＶ及びＲＰＶは、ローカル航空管制官、又は規則によって同様の方法で指示される。この層は、必要なパラメータに従って、必要に応じた頻度で、分単位でさえも、地上レベル又は平均海面上の高度を調整可能である。
【００４７】
一例として、低高度連続通信層（１０２１）は、地上レベルから５００フィートから地上レベルの２０００フィートまでの範囲に制御することができよう。高高度連続通信層（１０３１）は、平均海面レベル上の２０、０００フィートから平均海面レベル上の２５、０００フィートまでの範囲に制御することができよう。
【００４８】
（１０５１）で示されたより低い連続通信層で航行しているＵＡＶが、より高い通信層に向けられたカバレッジの円錐を通って進行する場合、ＵＡＶ（１０５１）内の受信機は、高高度のＲＰＶ（１０５０）よりも送信機（１００２）に近いことが多い。しかし、ほとんどの商業的な利用状況では、より小型のＵＡＶ（１０５１）は、より大型のＲＰＶ（１０５０）と比較して低利得の受信アンテナを有し、したがって高高度指向性円錐（１００２ｄ）内の放射電力からＵＡＶ（１０５１）で受信される信号電力は、低高度指向性円錐（１００２ｃ）内の放射電力からＵＡＶ（１０５１）によって受信される信号電力より小さいことがある。言い換えれば、ＲＰＶ（１０５０）に展開され得る地面指向アンテナの利用可能な利得は、その余分の距離からの任意の信号損失を補って余りある場合があり、したがって、多くの構成では、地上アンテナ（１００２ｆ）から放出される高高度指向性ビーム（１００２ｄ）のＵＡＶ（１０５１）における電界強度は、低高度指向性ビーム（１００２ｃ）からのＵＡＶ（１０５１）における電界強度よりもかなり低い場合がある。
【００４９】
図１０に示す周波数ダイバーシティは４つの周波数群（ｆＡ、ｆＢ、ｆＣ、ｆＤ）のみを使用するが、本発明の範囲から逸脱することなくさらに多くの構成が可能であることがセルラシステム設計の当業者によって容易に認識される。
【００５０】
固定地上トランシーバ（１００１、１００２）と通信層（１０２１）及び（１０３１）でそれぞれ動作するＵＡＶ（１０５１）及びＲＰＶＳ（１０５０）間のリンクマージンが、地面沿いのリンク（１００１ａ、１００１ｂ、１００２ａ、１００２ｂ）を介して送受信する固定地上トランシーバと典型的なパーソナルモバイル機器及びスマートフォン間のリンクマージンよりもきつく制約され得ることも当業者によって認識可能である。その理由は、対応しなければならないマルチパス、フェーディング、及び信号減衰の困難を伴う、引き出し、人のポケット又は大都市のビルの奥深くにある携帯電話とは異なり、ＵＡＶから固定地上トランシーバリンク、又はからＲＰＶから固定地上トランシーバリンクの減衰は、ほとんどの場合、単に伝搬損失によって左右されるためである。
【００５１】
空方向ビームにおける周波数ダイバーシティの考慮の付随的な付加を伴う１つ以上の連続的な通信層の作成に加え、ＧＳＭ（登録商標）、３Ｇ、４Ｇ、又はＬＴＥシグナリング及びリンク管理プロトコルで採用されているような通常のセルラシステムプロトコルは、ＵＡＶ又はＲＰＶに向けられ、又はそこから来る信号の空間的識別を含むことができる。このようなプロトコルの調整は、特定のＩＭＥＩ番号等級と同程度に単純であり得る。ＵＡＶ又はＲＰＶとしてのモバイルネットワークの加入者と、（パーソナル携帯電話やスマートフォンなど）主として地上沿いの使用を目的としたモバイルデバイスの加入者の等級を迅速に識別できることで、システムは、（例えば）民間飛行便に個人の携帯電話を誤って忘れた人への接続を排除し得る。
【００５２】
好ましい実施形態によれば、システムに好ましくはＲＦ通信帯域である２つの異なる周波数帯域が提供されている場合、システムは、ＵＡＶとのＲＦ通信を送信及び交換するように構成され得る。通信帯域の１つは、例えば、ＵＡＶペイロードとコンピュータ又はコントローラ間などのデータグラムをサポートするための任意的な使用に利用され、一方で、第２のＲＦ通信帯域が提供されて、ＵＡＶとホストコントローラ又は制御ネットワーク間の指令及び制御及びナビゲーションデータグラムの送受に専用される。
【００５３】
好ましい実施形態によれば、第２の空中領域（例えば、一例として、ＵＡＶ通信を提供する図１０の第２の層１０２１）を含むように構成された層などの層は、好ましくは、ＵＡＶ通信システムの第１のサブシステム及び第２のサブシステムを備えるように構成される。第１のサブシステムは、好ましくは、それに限定されないが、例えばＵＡＶに搭載され得るディジタルビデオカメラなどのＵＡＶのペイロードとの（を有する）アプリケーションデータグラムをＲＦ送受するＵＡＶのニーズにサービスする専用サブシステムである。第１のサブシステムに加えて、第１のサブシステムから分離された第２のサブシステムが備えられる。第２のサブシステムは、ＵＡＶに関するより重要な指令及び制御及びナビゲーション機能を処理するように構成される。好ましい実施形態によれば、システムは、第２のサブシステムが、ＵＡＶの航空交通制御システムをホストするコントローラ又は制御コンピュータネットワーク間のデータグラム用のＲＦ送受信チャネルとして機能するように構成される。第１のサブシステム及び第２のサブシステムは、好ましくは、異なる周波数又はチャネルを使用して動作するが、ＵＡＶ通信の上昇領域（例えば、図１０の低高度連続通信層１０２１など）での通信を提供する。
【００５４】
第２のサブシステムは、好ましくは、カバレッジを提供する上向きに投影する複数のセルラ型放射ゾーンを有するＲＦ通信システムとして構成されている。セルラゾーンは、好ましくは、サブチャネルに分割され、第２のサブシステムの一部として複数のサブチャネルを提供する。第２のＲＦ通信サブシステムに関しては、例えば、従来のセルラベースのシステムが機能する方法と同様に、より広い地理的領域に渡って周波数を再利用するために、その周波数範囲をサブチャネルに分割し、空方向に投射されるセルシステムを作成することによって、多くのＵＡＶとの通信を可能にするのに適した広い領域をカバーすることができる。例えば、５０００〜５０９１ＭＨｚの範囲は、５０００〜５０３０ＭＨｚ、５０３０〜５０６０ＭＨｚ、５０６０〜５０９０ＭＨｚであってよい３つの副帯域に分割することができる。好ましくは、システムの好ましい実施形態によれば、例えば、システムの例示的な実装形態に示された３つの副帯域などの様々な副帯域は、再使用スキームで再使用され得る。
【００５５】
本発明によるシステムの例示的な描写は、図１１及び１２に示されている。図１１によれば、例として限定するものではないが、複数の空方向放射の円錐を示す配置が示されている。放射の第１の円錐４００１が示され、好ましくは第２の副帯域システムの範囲内にある副帯域を有する副帯域群１を表す。放射の第２の円錐４００２が示され、好ましくは第２の副帯域システムの範囲内にある副帯域を有する副帯域群２を表す。放射の第３の円錐４００３が示され、好ましくは第２の副帯域システムの範囲内にある副帯域を有する副帯域群３を表す。第４の放射円錐４００４が示され、放射円錐４００３と関連して描かれている副帯域である副帯域群３を表すことが示されている。図１１に放射円錐４００１、４００２、４００３、４００４により例示されるサブ領域群は、好ましくは、ネットワークタワー上のそれぞれの複数のトランシーバ３００１、３００２、３００３、３００４に関連するそれぞれの空方向指向アンテナ（５００１、５００２、５００３、５００４）によって伝搬される。アンテナによって投影される放射円錐の角度を調整することができ、これは例えば電子的又は機械的に行うことができる。例えば、図１１の描写によれば、空方向指向アンテナ５００１、５００２、５００３、５００４のそれぞれに関連して投影された放射円錐４００１、４００２、４００３、４００４は、アンテナを電子的又は機械的に操作することによって調整することができる。例えば、（図１０の実施形態に関連して描かれたトランシーバ１００１、１００２と同様の）固定位置トランシーバ３００１、３００２、３００３、３００４は、ＲＦ信号を空方向指向アンテナに送るように給電される。図１１に示されている放射円錐４００１、４００２、４００３、４００４などの放射円錐のビーム角は、電子的に制御することができる。ビーム角の制御は、当業者には周知の幾つかの方法のいずれかで達成でき、図１２の指令及び制御及びナビゲーション通信層４１００などの連続通信層の高度及び厚さが調整され得る。したがって、図１０に関連して図示し説明した層１０２１、１０３１と関連して議論したように、調整能力により、連続通信層４１００は、地上からのある高度、又は平均海面以上のある高度のいずれかに従うことを可能にする。例えば、図１１に示す層４１００は、好ましくは、ＵＡＶ通信システムの第２のサブシステムにサービスすることができ、層１０２１（図１０）と同じレベルで提供され得る。層４１００は、ＵＡＶ通信システムの第２のサブシステムとして層１０２１を含むことができ、好ましくは、（他のＵＡＶ通信を処理するための）第１のサブシステム層を有する層１０２１を含む。例えば、システムの好ましい実施形態によれば、層１０２１は、指令及び制御及びナビゲーション通信が実行される（図１１及び図１２の領域層４１００によって表される）第１の周波数範囲を含むことができ、また、例えば、ＵＡＶペイロード（例えば、遠隔検知動作）とコンピュータ又はコントローラ間のデータグラムなど、他の通信が交換される第２の周波数範囲（又は周波数）を含むことができる。あるいは、図１２に示された地域層４１００などの層は、任意のパラメータに従って、所望に応じた頻度で、毎分ごとでさえ、地上からの又は平均海面上の高度に調整され得る。これは、ＵＡＶペイロードデータグラム層又はその１つ又は複数の構成周波数と一緒に、又はそれとは別に行われてもよい。
【００５６】
システムの実施形態は、例えばこの目的専用のタワーなどの別個のタワー上に設けられたトランシーバコンポーネント及び／又はアンテナを用いて別個に実施されてもよい。あるいは、幾つかの他の実施形態によれば、システムは、既存の携帯電話タワー上にハードウェアコンポーネントを取り付けることによって実施されてもよい。他の実施形態によれば、システムは、ある部分が専用のタワーに設けられ、他の部分が既存のタワーに設けられるよう構成されてもよい。例えば、既存の携帯電話のタワー配列を使用して、（例えば図１１及び１２に示される副帯域群１、２及び３などの）副帯域群の帯域範囲にわたって通信信号を生成するように信号伝播を提供してもよい。
【００５７】
好ましい実施形態によれば、システムは、信頼性を向上させるように構成される。幾つかの好ましい実施形態は、無線機器データグラムトランシーバのポイントと、例えば、ある領域の航空交通制御データグラムを処理する中央コンピュータなどの管理コンポーネント間に、別個の冗長バックホールを利用してもよい。冗長バックホールは、好ましくは、ネットワークに渡って冗長アクセスポイントを設けるように構成することができる。例えば、ネットワーク上にある指令及び制御及びコンピュータとＵＡＶ間の通信を処理するためにタワーに設けられ、例えばベーストランシーバを介して通信するように接続され得るトランシーバは、好ましくは無線トランシーバと指令コンピュータ間に冗長性を付与するように構成される。
【００５８】
図示されているように、システムは、好ましくは、空方向に生成され好ましくは物理的に分散した通信領域４１００を形成するように配置された複数の放射信号円錐を提供する。領域４１００は、副帯域群から構成される配置された放射ビームゾーンによって表される領域を示すための例示的な描写表現を示す描写である。第２のサブシステムは好ましくは副帯域群を形成する。図１２に示されるように、上面図は隣接して配置された放射円錐４００１、４００３、４００２、４００４を示し、さらに追加の放射円錐を示している。図１２の放射円錐は、図１１に示された各放射円錐４００１、４００２、４００３、４００４の上昇領域又はゾーン４００１ａ、４００２ａ、４００３ａ、４００４ａをそれぞれ表す。図１１の放射円錐４００１、４００２、４００３、４００４は、図１２の上昇領域４００１ａ、４００２ａ、４００３ａ、４００４ａを形成する円錐であり、各円錐セグメントの中心を通過することが示されている図１２の線Ａ−Ａ’に沿った領域を含む。放射円錐は、好ましくは、図１２に描かれているように、円錐のそれぞれの上昇領域を形成するように隣接して配置される。図１１に示す放射円錐４００１、４００２、４００３、４００４に加えて、副帯域群１の第１の複数の円錐、副帯域群２の第２の複数の円錐、及び副帯域群３の第３の複数の円錐を含む更なる放射ゾーン又は領域が提供される。好ましい実施形態によれば、各放射円錐は、好ましくはそれぞれのＲＦ発生源（例えば、トランシーバ）から生成され、１つ又は複数の関連するアンテナによって伝搬され、各放射円錐は、領域又はゾーンの連続的なカバレッジをもたらすために隣接した配置で設けられる。
【００５９】
図１２の描写に示すように、第２のサブシステムの副帯域の代表的な配置が示されている。（例示的な図では群１、２及び３である）各群の副帯域は、好ましくは第２のサブシステムの範囲内にある。図１２に示されているように、帯域ゾーン４００５ａ、４００６ａ、４００７ａ、４００８ａ、４００９ａ、４０１０ａ、４０１１ａ、４０１２ａ、４０１３ａ、４０１５ａ、４０１６ａ、４０１７ａ、４０１８ａを含めて、図１１に示された副帯域群と同様の３つの副帯域群が示されている。図１２の帯域ゾーンは、（図１１の円錐４００１、４００２、４００３、４００４と同様の）それぞれの放射円錐の対する部分（subtended portions）であることが好ましい。図１２の描写では、副帯域群１は、第１群の代表的な領域、すなわち代表的な円錐４００１ａ、４００５ａ、４００７ａ、４００９ａ、４０１１ａ、及び４０１２ａから成ることが示されている。副帯域群２は、別の代表的な領域の群、すなわち代表的な円錐４００３ａ、４００８ａ、４０１０ａ、４０１３ａ、４０１５ａ、及び４０１７ａから成ることが示されている。副帯域群３は、別の代表的な円錐４００２ａ、４００４ａ、４００６ａ、４０１４ａ、４０１６ａ、４０１８ａの群から成ることが示されている。物理的に分散された通信領域４１００は、地面上方の連続したカバレッジの領域を形成する上昇領域として示されている。図１２の上昇領域４１００は、描かれた放射円錐の矢印ＢとＣの間の図１１の領域４１００によって表されるように示されている。（図１１は４つの円錐４００１、４００２、４００３、４００４を示すが）追加の放射帯域が送信されて、図１２に描かれている追加の副帯域群の構成要素（例えば、４００５ａ〜４０１８ａ）を提供する。
【００６０】
上昇領域４１００は、好ましくは、ＵＡＶ通信のための指令及び制御帯域を表す。好ましくは、システムは、ナビゲーション機能を含むＵＡＶの指令及び制御動作を処理するように構成されている。図１１及び図１２に描かれている図では、上昇領域４１００は第２のサブシステムを含む。システムの好ましい実施形態によれば、ＵＡＶ制御送信は、上昇領域４１００を介して処理される。遠隔位置にあるコンピュータ又は制御コンポーネントは、好ましくはＲＦサブシステムを介して行われる送信を介してＵＡＶに指令を発することができる。例えば、ＵＡＶ航空交通制御システムをホストするコントローラ又は制御コンピュータネットワーク間のデータグラムは、好ましくはＲＦ送受信チャネルを含む領域４１００によって表される第２のサブシステムを介して処理されてもよい。
【００６１】
好ましい実施形態によれば、副帯域群は、好ましくは帯域幅の連続帯域範囲内で分割されることが好ましい。例えば、図１１及び図１２の領域４１００で表される第２のＲＦ通信サブシステムは、カバーされ得る大きい領域を提供し、これは、多くのＵＡＶとの通信を可能にするのに適する。例示的な描写では、空方向に投影されたセルシステムは、その周波数範囲を複数のサブチャネル（副帯域群１、２及び３によって表される）に分割することが示されている。例えば、上昇領域４１００は、複数の副帯域によって形成されてもよい。副帯域は、好ましくは、上昇領域４１００内の帯域幅領域である。図示のように、３つの副帯域群が示されている。一実施例によれば、５０００〜５０９１ＭＨｚの範囲は、５０００〜５０３０ＭＨｚ、５０３０〜５０６０ＭＨｚ、及び５０６０〜５０９０ＭＨｚの３つの副帯域に分割されてもよく、様々な副帯域が再使用スキームで再使用される。図１１及び図１２は、空方向放射の円錐が３つの別個の放射副帯域を表し、これらの副帯域が、好ましくは副帯域の数で分割された連続帯域範囲の連続部分である帯域範囲の一部を含む例示的実施形態を示す。好ましい実施形態によれば、副帯域は帯域幅範囲の隣接部分を含む。
【００６２】
第２の空中ゾーンを含むように構成された第２の層については、代替の帯域幅配置が実施されてもよい。例えば、第２のＲＦ通信帯域は、約４２００ＭＨｚから４４００ＭＨｚの周波数範囲を有するように構成されてもよい。この範囲は、例えば各々２００／３、又は約６６、６７ＭＨｚのゾーンに細分されてもよく、その場合、第１の副帯域群が約４２００〜４２６７ＭＨｚであり、第２の副帯域群が、約４２６８〜４３３３ＭＨｚであり、第３の副帯域群が約４３３４〜４４００ＭＨｚである３つの副帯域群である。別の例示的な実施形態によれば、第２のＲＦ通信帯域は約５０００〜５２５０ＭＨｚの周波数範囲を有するように構成されてもよく、複数の副帯域群に分割されてもよい。
【００６３】
好ましい実施形態によれば、再使用スキーム（方式）は、地上のセルシステムのそれに類似した空間周波数再使用スキームとして構成されてもよいが、地上に投影されるのとは反対に、空に投影される。再使用スキームは、好ましくは、処理され得る通信のカバレッジ及び容量を増加させるように構成されている。このセル構成（セル配列）では、隣接セルは異なる周波数を使用するように構成される。互いに適切に離間されているセルは、（セルラトランシーバ又はユーザ装置が過電力範囲で送信しない場合）同じ動作周波数で動作してもよい。セルは、チャネルが共チャネル（co-channel）干渉を最小限にし、又は除去するように分離される。加えて、好ましい実施形態によれば、ＵＡＶは、好ましくは、ＵＡＶがそれを通って通信しているセルと同じ周波数を使用／再利用する他の隣接セルへの超過の干渉量を生じることなく、セル範囲内で通信するように適切に電力供給されるトランシーバを有して構成される。
【００６４】
周波数再使用は、次の式（１）で表すことができる再使用係数と再使用距離とを考慮して決定することができ、：
Ｄ＝Ｒ√３Ｎ          （１）
但し、Ｄは再使用距離、Ｒはセル半径、Ｎはクラスタ当たりのセル数である。例えば、セルの半径は約１〜３０キロメートル（約０．６２から１８．６４マイル）で変動し得る。周波数再使用は係数によって指定され、１／ｋで表され、但し、Ｋは送信に同じ周波数を使用できないセル数である。図１２に示す図解では、第２の空中ゾーンの第２のサブシステムのための再使用係数は、１／３である。幾つかの代替実施形態によれば、周波数再使用係数は、１／４、１／７、１／９及び／又は１／１２であってもよい。
【００６５】
符号分割多重接続（ＣＤＭＡ）ベースのシステムが使用される幾つかの実装形態によれば、より広い周波数帯域を使用してＦＤＭＡと同じ伝送速度を達成することができる。例えば、再使用パターン１／１を使用する１の再使用係数は、隣接する基地局サイトが同じ周波数を使用し得る場合に採用され得る。しかし、基地局及びユーザは周波数ではなくコード（符号）によって分離され、また、セルの帯域幅全体はまた、各々のセクタごとに個別に利用可能である。
【００６６】
好ましい実施形態によれば、図１１及び図１２の放射円錐によって示されるサブ領域群は、好ましくは、空方向指向アンテナ（５００１、５００２、５００３、５００４、図１１）によって伝搬される。好ましい実施形態によれば、空方向指向アンテナによって伝播されるこれらの空方向信号は、偏波されてもよく、好ましくは、水平偏波又は円偏波されてもよい。図１０に示される第１及び第２の空中カバレッジに関連して前述したように、アンテナ上方の異なる上昇帯域について連続的な通信カバレッジを達成するために、放射パターンによって形成される（対する）角度が異なる場合には、異なる周波数セットの２つの信号セットを空方向に放射することができる。例えば、ＵＡＶが図示されたより低いレベルで航行している例（図１０参照）を考慮すると、好ましい実施形態によれば、ＵＡＶの指令及び制御及び制御機能は、図１１及び図１２に示される副帯域群の構成を使用して送信され得る。副帯域群は、好ましくは、特定の又は指定された周波数範囲における伝搬ＲＦ信号を表し、その幾つかの例が提供される（例えば、５０００〜５０９１ＭＨｚ、及び４２００〜４４００ＭＨｚ）。幾つかの実施形態によれば、例えば、図１１及び図１２に示される群１、２及び３の副帯域群信号を伝播するアンテナなどの空方向指向アンテナによって伝搬された空方向信号は、好ましい極性（偏波／polarization）に従って偏波され得る。例えば、空方向アンテナからの放射伝搬は、例えば円錐のような形状などのパターンで放射を向けるように構成され得る。例示的な描写に従って示されているように、信号分離は、特に指令及び制御データグラムに関して通信の品質を高め、有害な相互作用の可能性を低減又は除去するために副帯域群に関連して実施され得る。図１１及び図１２の円錐及び副帯域群によって表される信号の周波数ダイバーシティは、偏波パターンを実施することによってさらに分離され得る。好ましい実施形態によれば、偏波は、右円偏波及び左円偏波を含むことができる。例えば、１つの空方向円錐（例えば、第１の副帯域群）は、伝搬信号の右円偏波を有し得るのに対して、別の空方向円錐（例えば、隣接する副帯域であってよい別の副帯域群）は、伝搬信号の左円偏波を有し得る。幾つかの実施形態によれば、システム、方法及び装置は、基地局と同様に、ＵＡＶ及びＲＰＶの送受信のための偏波パターンをさらに提供することができる。例えば、対応する偏波パターンは、トランシーバなどの通信コンポーネント間の送信及び受信のために実施されてもよい。例えば、右円と左円偏向が使用される場合などの偏波の実施は、空間周波数再使用スキームの一部として構成されてもよい。１つ以上のサブグループ帯域が偏波され得る。例えば、図１２に示されるように、また例示的な実施形態を示すために描写を使用すると、幾つかの実施形態によれば、副帯域群は、１つ又は複数の群が右円偏波され、１つ又は複数の他の群が左円偏波されるように伝搬されてもよい。
【００６７】
システムの実施形態は、データグラム構造において順方向エラー訂正（ＦＥＣ）を実施するように構成され得る。例えば、ＵＡＶと指令制御コンポーネント又はコンピュータ間の通信及び送信は、１つ又は複数のエラー訂正フォーマットで送信メッセージの符号化することによって生成され得る。幾つかの実施形態によれば、順方向エラー訂正は、好ましくはエラー訂正符号（ＥＥＣ）を使用して実行される冗長な方法で送信を符号化することによって実施される。この実施形態によれば、送信コードの冗長性により、ＵＡＶ又は制御コンピュータなどの受信機は、メッセージ送信のどこでも発生し得る限られた数のエラーを検出することができる。ＵＡＶと、指令及び／又は制御コンピュータなどの別のコンポーネント間の通信におけるＦＥＣ実施の利点は、検出されたエラーが、好ましくは、メッセージが再送信される必要なく訂正され得ることである。例えば、ＦＥＣの実施は、符号化されたメッセージの受信機が、再送信を要求するために追加の帯域幅（逆方向チャネルなど）を必要とせずにエラーを訂正する能力を有することを可能にし、それによって時間及び帯域幅の使用を節約する。
【００６８】
幾つかの実施形態によれば、ＵＡＶと指令又は制御コンピュータは、代替又は追加のエラー訂正機能を備えることができる。幾つかの実施形態によれば、ＵＡＶと指令又は制御コンピュータ間の送信は、データグラム構造に畳み込みエラー訂正コードを有する通信メッセージを生成するように構成されてもよい。例えば、幾つかかの実施形態によれば、畳み込みエラー訂正コードは、パリティ記号を生成するデータストリームのブーリアン多項式関数（boolean polynominal function）のスライドアプリケーションを実施し、データに対するエンコーダのいわゆる「畳み込み」を表す。畳み込み符号の復号化を可能にするために、時間不変トレリス復号化方式を使用することができる。畳み込み符号のスライドする性質は、時間不変トレリスを使用するトレリス復号化を容易にする。
【００６９】
このシステムの実施形態は、ターボ符号として実施されるデータグラム構造において順方向エラー訂正（ＦＥＣ）を実施するように構成され得る。例えば、ＵＡＶと指令制御コンポーネント又はコンピュータ間の通信及び送信は、データグラム構造におけるターボ符号を用いた順方向エラー訂正に従う送信メッセージの符号化によって生成され得る。ＵＡＶ及び指令制御コンピュータは、ターボ符号の生成及び処理を実施する指令を含む適切なハードウェアコンポーネントを有して構成され得る。例えば、ＵＡＶ（及び好ましくは指令及び制御コンピュータ）には、２つの同一のＲＳＣコーダであるコーダ１及びコーダ２のエンコーダ配列を備えてもよく、これは好ましくは、インターリーバがペイロードデータの置換を実行する並列連接構成を使用して接続される。ＲＳＣエンコーダの構成は、メッセージ及び好ましくはペイロードデータを符号化して、ＵＡＶ及び／又は指令及び制御コンピュータから送信される通信のためのターボ符号エラー訂正を提供する。同様に、ＵＡＶ及び指令又は制御コンピュータは、好ましくは、エンコーダに類似して構築されるが、直列配置のデコーダを備えたデコーダを備えている。ＵＡＶと指令及び制御コンピュータとがそれぞれエンコーダ及びデコーダを有する場合は、それらの間で送受信される送信に対してエラー訂正が実行されてもよい。ターボ符号は、異なるコンポーネントのエンコーダ、入力／出力比、インターリーバ、及びパンクチャパターンを使用して、異なる実施形態で構成され得る。例示的な実施形態によれば、ＦＥＣは、ターボ符号を使用して実装することができ、その場合、符号器はビットの３つのサブブロックを送信する。例示的な実施形態によれば、第１のサブブロックは、（メタデータ又はヘッダなしで、ＵＡＶ／指令又は制御コンピュータからのメッセージ又は送信の重要性を含む）ペイロードデータのｍビットのブロックであってよい。第２のサブブロックは、ペイロードデータのためのｎ／２個のパリティビットであってよく、再帰系統的畳み込み符号（ＲＳＣ符号）を使用して生成されることができ、一方、これもＲＳＣ符号を使用して生成され得る第３のサブブロックは、ペイロードデータの既知の置換のためのｎ／２のパリティビットである。したがって、符号化されたメッセージペイロードデータは、ＵＡＶからコマンド制御コンピュータに（又はその逆に）通信され、これは、ペイロードデータとともにパリティビットの２つの（ただし異なる）冗長サブブロックを含むことができる。例示的な実施形態によれば、ブロックは、好ましくは符号化率がｍ／（ｍ＋ｎ）であるｍ＋ｎビットのデータを有する。送信された符号化メッセージ（又はメッセージコンポーネント）は、受信側のＵＡＶ及び／又は指令及び制御コンピュータに構成されたデコーダで復号される。例えば、復号器は、（データストリーム内の各ビットに対して１つの尤度測度（likelihood measure）を有して）尤度尺度のブロックを生成することによって、ｍ＋ｎビットのデータブロックを復号することができる。デコーダは、各々がペイロードサブブロック内のｍビットのパターンについて導出された尤度を有する仮説を生成する２つの畳み込みデコーダで構成されてもよい。システムは、仮説ビットパターンを比較してそれらが異なるかどうかを判定し、それらが異なる場合は、デコーダは仮説の各ビットについてそれぞれの導出された尤度を交換する。各デコーダは、他のデコーダから導出された尤度推定値を組み込むことによって、新たな仮説（ＤｌＨｎ及びＤ２Ｈｎ）を生成する。新たに生成された仮説（ＤｌＨｎとＤ２Ｈｎ）が比較され、プロセスが繰り返され、両方のデコーダがペイロードデータのｍ−ビットパターンについて同じ仮説（ＤｌＨｘ＝Ｄ２Ｈｘ）に達するまでさらなる仮説（Ｄ１Ｈｎ＋１及びＤ２Ｈｎ＋１）が生成される。
【００７０】
これらの及び他の利点は、本発明によって実現され得る。本発明は、特定の実施形態を参照して説明されたが、説明は例示的なものであり、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。セルは、六角形のゾーンとして示されているが、例えば、正方形、円形、又は他の長方形などの他の形状を有するように構成されてもよい。
また、幾つかかの好ましい実施形態による放射形状又はパターンは、円錐として記載されているが、他の形状を有するように構成されてもよい。例えば、図１２では、セルは六角形のゾーンとして示されているが、セルは例えば正方形、円形、又は他の長方形などの他の幾何周辺を有するように構成されてもよい。加えて、副帯域群は、例示的な実施形態では３つの群に分割されて示されているが、周波数範囲は他の数の副帯域群に分割されもよい。第２のサブシステムと呼ばれるが、実施形態は、本明細書に図示され説明されている通信指令及び制御センター及びナビゲーションデータグラムを処理する専用のサブシステムで実施されてもよい。さらに、図１０は、ネットワークタワー１００１、１００２を示し、図１１は、ネットワークタワー１００１ｅ、１００２ｅを示すが、複数のネットワークタワーを、本明細書に示され説明されたシステム、方法、及びコンポーネントと共に利用することができる。例えば、空方向指向アンテナは、既存のネットワーク機器に接続されてもよく、かつ／又は既存のネットワークタワーによってサポートされてもよい。幾つかの実装形態によれば、ネットワーク機器は、１つ又は複数の空方向指向アンテナを追加のセルゾーンとして扱うように構成されてもよい。幾つかの実施形態によれば、空方向アンテナは、追加のネットワーク装置セット又はそのコンポーネントで動作するように構成されてもよい。本明細書に記載され、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、当業者によって様々な修正及び変更が行われ得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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